Dispositif de mémoire supraconducteur à l'échelle nanométrique. L'information binaire est codée dans le sens du courant électrique dans la boucle. Lorsque le courant circule dans le sens des aiguilles d'une montre, ceci est considéré comme un état « 0 » du dispositif de mémoire. Quand il coule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, il s'agit d'un état « 1 » du périphérique de mémoire. Parce que les électrons sont supraconducteurs, le courant circule indéfiniment dans les boucles, rendre la mémoire non volatile. (a) Une photographie du dispositif de mémoire, constitué d'une bande supraconductrice de Mo75Ge25 (jaune) avec une paire de nanofils supraconducteurs formant une boucle fermée (jaune également) :La largeur des nanofils est de 24 nm et 22 nm, comme marqué. (b) Le courant critique, c'est à dire., le courant maximal qui peut être injecté dans le dispositif sans détruire la supraconductivité, est tracée en fonction du champ magnétique. Pour définir l'état de la mémoire '0', nous appliquons un courant positif ciblant le losange ombré. Pour mettre la mémoire à l'état '1', un courant négatif est appliqué (comme le même champ magnétique externe). Pour lire l'état de la mémoire, le courant est augmenté à une valeur plus élevée, comme le montre le losange rouge, et la valeur actuelle à laquelle la tension se produit est mesurée. Cette valeur est le courant critique. Sa distribution statistique est indiquée en (c). La valeur mesurée du courant critique dépend de la valeur mémoire préréglée, '0' ou '1'. Ainsi, en mesurant le courant critique, nous sommes en mesure de déterminer l'état de la cellule mémoire. Crédit:. Alexey Bezryadin et Andrew Murphey, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Le développement d'un ordinateur supraconducteur qui effectuerait des calculs à grande vitesse sans dissipation de chaleur a été l'objectif de plusieurs initiatives de recherche et développement depuis les années 1950. Un tel ordinateur nécessiterait une fraction de l'énergie consommée par les supercalculateurs actuels, et serait plusieurs fois plus rapide et plus puissant. Malgré des avancées prometteuses dans cette direction au cours des 65 dernières années, des obstacles substantiels subsistent, y compris dans le développement d'une mémoire miniaturisée à faible dissipation.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé une nouvelle cellule mémoire à l'échelle nanométrique qui est extrêmement prometteuse pour une intégration réussie avec les processeurs supraconducteurs. La nouvelle technologie, créé par le professeur de physique Alexey Bezryadin et l'étudiant diplômé Andrew Murphy, en collaboration avec Dmitri Averin, professeur de physique théorique à l'Université d'État de New York à Stony Brook, fournit une mémoire stable à une taille plus petite que les autres dispositifs de mémoire proposés.
Le dispositif comprend deux nanofils supraconducteurs, attaché à deux électrodes inégalement espacées qui ont été "écrites" en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons. Les nanofils et les électrodes forment un boucle supraconductrice fermée, appelé nanofil 'SQUID' (dispositif d'interférence quantique supraconducteur). Le sens du courant circulant dans la boucle, dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, équivaut au "0" ou au "1" du code binaire.
L'état de la mémoire est écrit en appliquant un courant oscillant d'une amplitude particulière, à un champ magnétique donné. Pour lire l'état de la mémoire, les scientifiques augmentent le courant et détectent la valeur actuelle à laquelle la supraconductivité est détruite. Il s'avère qu'une telle destruction ou courant critique est différent pour les deux états de mémoire, "0" ou "1". Les scientifiques ont testé la stabilité de la mémoire, retarder la lecture de l'état, et n'a trouvé aucun cas de perte de mémoire. L'équipe a réalisé ces expériences sur deux nanofils SQUIDS, fait du supraconducteur Mo75Ge25, en utilisant une méthode appelée modèle moléculaire. Les résultats sont publiés dans le 13 juin 2017 Nouveau Journal de Physique .
Commentaires de Bezryadin, "C'est très excitant. De telles cellules mémoire supraconductrices peuvent être réduites en taille à quelques dizaines de nanomètres, et ne sont pas soumis aux mêmes problèmes de performances que les autres solutions proposées."
Murphy ajoute, « D'autres efforts pour créer une cellule de mémoire supraconductrice réduite n'ont pas pu atteindre l'échelle que nous avons. Un dispositif de mémoire supraconductrice doit être moins cher à fabriquer qu'une mémoire standard maintenant, et il doit être dense, petit, et vite."
Jusqu'à maintenant, les dispositifs de mémoire de supercalculateur les plus prometteurs, dispositifs dits « quanta à flux unique », reposent sur des circuits de manipulation composés de jonctions Josephson et d'éléments inductifs. Ils sont de l'ordre du micromètre, et la miniaturisation de ces dispositifs est limitée par la taille des jonctions Josephson et leurs inductances géométriques. Certains d'entre eux nécessitent également des barrières ferromagnétiques pour coder les informations, où le dispositif de Bezryadin et Murphy ne nécessite aucun composant ferromagnétique et élimine la diaphonie de champ magnétique.
"Parce que l'inductance cinétique augmente avec la diminution des dimensions de la section transversale du fil, les éléments de mémoire SQUID nanofils pourraient être encore réduits, dans la gamme des dizaines de nanomètres, " poursuit Bezryadin.
Les chercheurs soutiennent que cet appareil peut fonctionner avec une très faible dissipation d'énergie, si les énergies de deux états binaires sont égales ou presque égales. Le modèle théorique de telles opérations a été développé en collaboration avec Averin. La commutation entre les états d'égale énergie sera réalisée soit par effet tunnel quantique, soit par des processus adiabatiques composés de multiples sauts entre les états.
Dans les travaux futurs, Bezryadin prévoit d'aborder les mesures du temps de commutation et d'étudier de plus grands réseaux de calmars à nanofils fonctionnant comme des réseaux d'éléments de mémoire. Ils testeront également des supraconducteurs avec des températures critiques plus élevées, dans le but d'un circuit mémoire qui fonctionnerait à 4 Kelvin. Des opérations rapides seront réalisées en utilisant des impulsions micro-ondes.
